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Département de Géologie

Licence STE - S5

Géologie structurale

Septembre 2009

Jean-François Moyen

i

Informations pratiques

1. Enseignant et contacts

Ce cours est assuré par Jean-François Moyen. Je suis pour le moment en transit entre les Universités de Stellenbosch (Afrique du Sud), et de Saint-Etienne, que je rejoindrais définitivement à la fin de l"année 2009. Je quitterais Saint-Etienne fin Septembre, pour y revenir courant Décembre. La façon la plus fiable de me joindre est donc le courrier électronique, jfmoyen@gmail.com . N"hésitez pas à l"utiliser pour toutes questions liées au cours. Vous pouvez aussi essayer de passer me voir à la Faculté des Sciences (pendant le mois

de Septembre seulement, à l"évidence !), mais vérifiez avant que je serais bien présent...

2. Contenu du cours et objectifs

Ce cours constitue une introduction à la géologie structurale et à la tectonique. Y sont abordées : les notions de base sur les contraintes et le comportement rhéologique des matériaux solides ; les modalités de déformation des cristaux et des roches ; la description et la caractérisation des structures de déformation à différentes échelles, du cristal aux plaques lithosphériques. A l"issue de ce cours, les étudiants seront capables de : Reconnaître et décrire les principales structures de déformation aux différentes

échelles ;

Expliquer leur origine et la façon dont elles se forment ; Les replacer dans un contexte local ou régional (échelle supérieure), et comprendre leurs relations ; Avoir quelques notions sur les différentes associations structurales qui se forment dans différents contextes tectoniques.

3. Horaires et planning

Pour des raisons logistiques, ce cours est concentré sur trois semaines du mois de Septembre. Il se compose de 10 séances de 4 heures chacune : Deux séances sur le terrain (Rochetaillée/Gouffre d"Enfer) les 17 et 18 Septembre ; le rendez-vous pour ces séances est directement sur le terrain et les étudiants s"organiseront pour s"y rendre. Une séance de dépouillement et interprétation des données terrain ; Sept séances composées chacune d"un cours de deux heures suivi d"un TP/TD de deux heures (sauf les deux Mardi, indiqués " 3 heures »). Matin : 8h30-12h30 ; après-midi : 13h30-17h30 (13h-16h le Mardi) ii

Planning prévisionnel :

Cours TD/TP

Semaine du 1 au 5 septembre

Mercredi 2 Septembre (après-midi) Décrire les déformations: ellipsoïde de déformation Quantification de la déformation

Jeudi 3 Septembre Forces et contraintes ; Rhéologie Cercle de Mohr, rupture Vendredi 4 septembre (matin) Rhéologie Rhéologie pâtissière

Semaine du 14 au 18 septembre

Mardi 15 Septembre (après-midi; 3h) Tectonique ductile (1): foliations, linéations, etc. Description d"ellipsoïdes de déformation

Mercredi 16 Septembre (matin) Tectonique ductile (2): plis Mesure et représentation d"éléments structuraux (stéréogrammes)

Jeudi 17 Septembre (après-midi) Gouffre d"enfer (1)

Vendredi 18 Septembre (matin) Gouffre d"enfer (2)

Semaine du 21 au 25 septembre

Mardi 22 Septembre (après-midi, 3h) Tectonique cassante (1) Test

Mercredi 23 Septembre (matin) Tectonique cassante (2) Populations de faille, reconstitution de contraintes

Jeudi 24 Septembre (après-midi) Gouffre d"Enfer : synthèse en salle

4. Matériel

Pour la plupart des séances (de TD en particulier), il sera utile d"avoir une calculatrice,

une règle graduée, éventuellement un rapporteur. Quelques feuilles de papier calque

seront nécessaire. Si vous avez une boussole de géologue, vous pouvez l"apporter. Pour les deux demi-journées sur le terrain, équipement de terrain habituel (carnet, appareil photo...). iii

5. Evaluation

Le cours est noté par contrôle continu uniquement. La note de cours se composera des

éléments suivants :

Compte-rendu de terrain, à l"issu de la dernière séance de TD ; Essai ; chaque étudiant rédigera un essai sur un thème qui sera indiqué plus tard. Les essais seront présentés sous la forme d"articles scientifiques (avec abstracts, liste de références) qui ne dépasseront pas 8 pages A4 recto simple, illustration comprise. Un minimum de 5 références (autres que des sites web - articles, livres, etc. - ce qui ne veut pas dire que vous ne devez pas utiliser internet !) sera fourni. Un test en salle (durée : une heure, tous documents autorisés) le Mardi 22

Septembre.

Chacun de ces éléments compte pour un tiers de la note finale.

6. Livres de référence

Les étudiants sont chaudement encouragés à compléter ce cours par des lectures

individuelles. Il existe, heureusement, de nombreux livres et manuels de géologie structurale et de tectonique (mais la plupart sont en Anglais). En Français, le plus utilisé est celui de J. Mercier et P. Vergely, " Tectonique » (coll. Géosciences, Dunod). Un peu tristounet mais très complet, essentiellement orienté sur la mécanique des roches. On peut aussi consulter, pour les aspects tectoniques et géodynamiques, " La déformation des continents », par L. Jolivet (Hermann). On y trouve aussi des utiles

rappels de rhéologie, déformation, etc., présentés de façon plus simple que dans le

précédent. Enfin, il existe plusieurs livres axés sur des illustrations (par exemple " Ce que disent les roches », M. Mattauer (Belin) ), ou orientés grand public (nombreux livres de M.

Mattauer).

En anglais, le choix est large. On peut citer les classiques (toujours d"actualité) de

Ramsay

1 : J.G. Ramsay (1967): Folding and Fracturing of Rocks. 568pp., McGraw - Hill, New York. THE classic textbook on Structural Geology; emphasis is on geometrical and (semi- )quantitative analysis and interpretation of structures (strain analysis, fold analysis, stress-strain relationships), a must-have for any specialist. Ramsay and Huber (1983): The Techniques of Modern Structural Geology; Vol. 1: Strain Analysis. Academic Press, London, 307pp. Combination of a textbook and lab manual, very well illustrated with numerous excercises and solutions, from simple to advanced level; recommended for excercises and certain chapters on particularly strain analysis. Expensive.

1 Je garde les commentaires en Anglais de mon collègue Alex Kisters, Stellenbosch.

iv Ramsay and Huber (1987): The Techniques of Modem Structural Geology; Vol. 2: Folds and Fractures. Academic Press, London, 393pp. 2nd part of Ramsay and Hubers textbooks, identical in style to volume one, here dealing with analysis of folds and fractures. Parmi les "textbooks" récents, les deux meilleurs sont sans doute Davis and Reynolds (1996): Structural geology of rocks and regions. John Wiley Sons, New York, 776pp. Probably the most comprehensive textbook on the subject, including structural geology and chapters about tectonics. Slightly unusually structured, but very well written and superbly illustrated; is the 2nd, revised edition of the original texbook by Davis (1984); best value for money (relatively inexpensive compared to other textbooks despite hardcover version) and highly recommended. v.d. Pluijm and Marshak (1997): Earth Structure: an introduction to structural geology and tectonics. McGraw Hill, 495pp. Probably the best structured and written textbook, superbly illustrated, dealing with both structural geology and tectonics; unfortunately very expensive.

Je recommanderais à tout étudiant intéressé par la géologie structurale de se procurer le

livre de Davis et Reynolds (amazon.com, etc.), relativement bon marché ($80 quand même, ce qui reste raisonnable pour un gros livre scientifique. Chercher à en obtenir un exemplaire d"occasion). Il est en Anglais, mais il est supérieur à ce que vous trouverez en Français - et de toute façon, vous n"espérez pas faire une carrière scientifique sans au moins comprendre et écrire l"Anglais, non ? A un niveau plus avancés, les journaux (de recherche) qui publient des articles de géologie structurale sont surtout Journal of Structural Geology, Tectonophysics,

Tectonics.

Mais vous trouverez aussi des articles structuraux par exemple dans : Geology, Precambrian Research, Journal of Geophysical Research, Geol. Soc. America

Bulletin, Geol. Soc. London Journal, etc.

Ce cours est construit essentiellement à partir des cours de René-Pierre Menot (Saint Etienne), et Alex Kisters (Stellenbosch), qui ont été assez aimable pour me donner leurs documents de cours ! 1

Plan du cours

Informations pratiques ........................................................................................i

1. Enseignant et contacts ........................................................................ i

2. Contenu du cours et objectifs.............................................................. i

3. Horaires et planning........................................................................... i

4. Matériel ............................................................................................. ii

5. Evaluation ........................................................................................iii

6. Livres de référence ...........................................................................iii

Plan du cours ......................................................................................................1

I. Déformation et contrainte ..........................................................................4

1. Les déformations............................................................................... 4

1.1. Les composants de la déformation................................................................. 4

1.2. Vitesse et taux de déformation ........................................................................7

1.3. Types de déformation : un peu de vocabulaire...............................................8

1.4. L"ellipsoïde de déformation (strain ellipsoid)................................................8

1.5. Peut-on observer un ellipsoïde de déformation

dans les roches ? ........................................................................................................13

2. Les forces..........................................................................................14

3. Les contraintes .................................................................................15

3.1. Décomposition d"une contrainte sur un plan................................................15

3.2. Contraintes pluri-axiales ...............................................................................17

3.3. Relation géométrique entre contrainte et

déformation ...............................................................................................................19

4. Rhéologie..........................................................................................21

4.1. Modes de déformation des matériaux terrestre ............................................21

4.2. Lois de déformation simples......................................................................... 23

4.3. Déformation des roches : une succession de

modes de déformation..............................................................................................26

4.4. Paramètres contrôlant la rhéologie des roches.............................................28

4.5. Stratification rhéologique de la lithosphère................................................. 33

II. Déformation ductile ..................................................................................36

1. Mécanismes physiques de la déformation

plastique................................................................................................. 36

1.1. Microfracturation et cataclase......................................................................36

1.2. Macles de déformation (mechanical twinning)...........................................36

1.3. Pression-dissolution (dissolution creep, ou

pressure-solution) .................................................................................................... 37

1.4. Fluage par diffusion......................................................................................38

1.5. Fluage par dislocation (dislocation creep)...................................................39

1.6. Recristallisation............................................................................................40

2. Foliations et linéations : les fabriques

tectoniques des roches ............................................................................41

2 2.1.

La fabrique des roches...................................................................................41

2.2. Les éléments structuraux planaires..............................................................42

2.3. Types de linéations .......................................................................................46

2.4. Fabrique et orientation de l"ellipsoïde de

déformation .............................................................................................................. 47

2.5. Déformation coaxiale ou non-coaxiale.........................................................48

3. La déformation ductile hétérogène...................................................53

3.1. Les zones de cisaillement.............................................................................. 53

3.2. Les boudins................................................................................................... 54

3.3. Les plis.......................................................................................................... 56

4. Les plis..............................................................................................56

4.1. Terminologie descriptive..............................................................................56

4.2. Plissement par flexion : les plis isopaques ...................................................64

4.3. Plissement par cisaillement ou aplatissement : les

plis anisopaques (plis passifs) ..................................................................................69

5. Tectonique ductile à l"échelle régionale ............................................ 71

5.1. Associations de plis et chevauchements........................................................71

5.2. Domaines profonds des zones déformées .................................................... 72

III. Déformation cassante...............................................................................75

1. La rupture des roches.......................................................................75

1.1. Mécanismes macro- et microscopiques.........................................................75

1.2. Géométrie ..................................................................................................... 76

2. Joints, fractures et veines.................................................................78

2.1. Joints et diaclases......................................................................................... 79

2.2. Fentes de tension, stylolithes........................................................................79

3. Les failles..........................................................................................81

3.1. Les principaux types de failles.......................................................................81

3.2. Etude des failles sur le terrain......................................................................84

3.3. La complexité des " vraies » failles ..............................................................89

3.4. Morphologie associée aux failles ..................................................................93

4. Tectonique cassante à l"échelle régionale......................................... 94

4.1. Systèmes de failles normales........................................................................94

4.2. Systèmes de failles inverses..........................................................................97

4.3. Chevauchements...........................................................................................98

4.4. Systèmes décrochants................................................................................. 102

IV. Mini-lexique .............................................................................................106

1. Mécanique et rhéologie...................................................................106

2. Déformation ductile........................................................................ 110

3. Déformation cassante..................................................................... 114

3

Introduction

Géologie structurale = étude des déformations subies par les roches. Tectonique = étude de l"histoire des mouvements qui ont formé une région. L"étude des structures tectoniques (on ignore ici les structures primaires telles que litage, etc.) nécessite : Description de o leur nature I(plis, failles, foliations...) o leur géométrie (orientation, répartition...) o leur chronologie au moins relative Cinématique (quels mouvements ont crée ces structures ? Evolution dans le temps ?)

Mécanismes de déformation (quelles forces sont responsables de ces mouvements ? Comment les roches se déforment-elles ?)

NB - Ce qu"on observe sur le terrain, ce sont des roches déformées. Ce n"est pas la déformation elle-même (cinématique), qui est finie depuis longtemps ; encore moins les forces responsables. La reconstitution des déformations et des forces est donc un modèle, basé sur les observations. Notre but, en tant que géologues, est de construire un modèle qui rende compte de toutes nos observations (et idéalement, qui est capable d"en prédire d"autres). Si ce n"est pas le cas, il faut changer de modèle - et c"est le processus scientifique normal. NB - Dans le texte, les equivalents anglais des termes français sont indiqués en italique, aussi systématiquement que possible. 5 a. Translation = changement de position.

Figure 2. Exemples de

translation, à différentes

échelles (de

l"affleurement au continent). Les vecteurs déplacement sont tous parallèles. b. Rotation = changement d"orientation

Figure 3. Exemples de

rotation, à différentes

échelles ; surtout en

association avec des failles courbes (failles listriques). 6 c. Déformation interne (distorsion) (= strain) = changement de forme. C"est le composant le plus important de la déformation, pour le géologue !

Déformation linéaire

Allongement dans un sens, raccourcissement dans l"autre, comme un élastique qu"on étend ou une boule de pâte à modeler qu"on écrase. On peut le quantifier de plusieurs façons : Allongement relatif, ou extension (elongation) : 00 0lll ll f-=Δ=ε ; ε est négatif dans le cas de raccourcissement. Etirement (stretch) :

ε+==1

0llS f Elongation quadratique (quadratic elongation) :

22)1(ελ+==S

Le premier des trois est le plus utilisé (cf. plus loin partie rhéologie).

Déformation cisaillante (ou angulaire)

De la même façon une déformation angulaire peut se mesurer par l"angle que font deux droites initialement orthogonales : le cisaillement angulaire (angular strain) Φ. On utilise aussi la déformation cisaillante (shear strain) γ; ils sont reliés par

Φ=tanγ.

Figure 4. Déformation

cisaillante. 7 d. Gain/perte de volume Elle peut avoir lieu par différents mécanismes tels que Compaction et fermeture de vides (porosités) entre les grains ; Dissolution d"une partie de la roche ; Fracturation de la roche (qui augmente le volume en créant des vides entre les fragments) ;

Expansion/contraction du à des changements de pression (en pratique le plus souvent marginal dans la

croûte ; cf. cependant formation de joints/diaclases) ;

Réaction minérales et formation de nouveaux minéraux de volume molaire différent (métamorphisme).

Figure 5. Changement

de volume. En haut, dessin de principe. En bas, exemples plus réalistes avec dilatation (à droite, formation de fissures remplies) ou contraction (en bas, fracturation).

1.2. Vitesse et taux de déformation

La vitesse (ou taux) de déformation (strain rate) est un paramètre important ; on peut le quantifier par dt dεε=& (c"est la dérivée de la quantité de déformation par rapport au temps, notée avec un point en physique). Elle s"exprime en s -1. Faute de pouvoir accéder à la dérivée, on peut l"approcher par

TΔ=

εε& , si on peut estimer la durée ΔT de la phase de déformation. Evidemment, la question est de savoir si ce taux moyen est représentatif de la vitesse instantanée de la déformation ! 8

1.3. Types de déformation : un peu de vocabulaire

a. Homogène ou hétérogène La déformation est dite homogène (homogeneous) si des lignes initialement parallèles le restent après la déformation. On parle sinon de déformation hétérogène (inhomogeneous, heterogeneous), ce qui est d"ailleurs le cas général dans la nature.

Figure 6. Déformation

homogène et hétérogène. b. Continue ou discontinue La déformation est continue si ses propriétés varient progressivement dans l"objet déformé (pli, par exemple) ; elle est discontinue sinon (faille) (continuous, discontinuous). c. Incrémentale ou finie Enfin, on parle de déformation finie (ou totale ; finite strain, total strain) quand on considère la forme de l"objet final ; par opposition à la déformation incrémentale (incremental, progressive strain), le petit " morceau »de déformation qu"on ajoute à un moment donné.

1.4. L"ellipsoïde de déformation (strain ellipsoid)

a. Déformation d"un marqueur rond Si on considère un marqueur rond à l"origine, qui est soumis à une déformation homogène, il se transforme en une ellipse : l"ellipse de déformation. L"orientation et la taille de l"ellipse permet de décrire totalement la distorsion subie par l"objet. Si le diamètre du cercle initial était de 1, la longueur des deux axes principaux de l"ellipse vaut 1 + ε1 et 1 + ε2 (ε est défini plus haut) pour respectivement le grand axe (déformation maximale, maximum strain ; ou X) et le petit (déformation minimale, minimal strain ; Y). On utilise souvent le rapport entre la taille des deux axes (rapport de forme, aspect ratio) pour avoir une idée de l"intensité de la déformation. 9

Figure 7. Ellipse de

déformation. Ici, le rapport de forme vaut 3, ou 3 :1 NB - En fait, comme le terme anglais (strain ellipse) le suggère, il s"agit d"une ellipse de distorsion. La déformation nous échappe, puisqu"on n"a pas accès de cette façon à la translation ou la rotation (sauf si on a une référence externe). NB - Si la déformation n"est pas homogène (ce qui est le cas dans la nature !), on ne sait pas décrire la déformation de façon simple. La solution est alors de découper l"objet déformé en fragments assez petits pour que la déformation dans chaque fragment soit à peu près homogène.

Figure 8. Un objet

déformé de façon hétérogène peut se décrire en le subdivisant en domaines plus petits où la déformation est à peu près homogène. De la même façon, en 3 dimensions une sphère se déforme en un ellipsoïde dont les 3 axes sont X > Y > Z

Figure 9. Ellipsoïde de

déformation. La sphère (à gauche, matérialisée par 3 plans orthogonaux) se transforme en un ellipsoïde. 10 b. Les deux types de distorsion homogène Un marqueur sphérique peut être déformé de deux façons différentes : en " l"écrasant », et en le " cisaillant ». De façon un peu plus rigoureuse, on parle de déformation coaxiale (ou non-rotationnelle, ou cisaillement pur / coaxial strain, non- rotational strain, pure shear) et de déformation non-coaxiale (ou rotationelle, ou cisaillement simple / non-coaxial strain, rotational strain, simple shear). Dans une déformation coaxiale, les axes principaux de l"ellipse de déformation ne tournent pas. Un cas particulier de déformation coaxiale est le cisaillement pur, si le volume ne change pas. A l"inverse dans la déformation non coaxiale (cas particulier : cisaillement simple), les axes peuvent tourner.

Figure 10. Déformation

non coaxiale (cisaillement simple) en haut, et coaxiale (cisaillement pur) en bas.

Déformation coaxiale

Les axes de la déformation restent fixes durant une déformation progressive (cf. Figure 10) (la déformation est coaxiale) ;

Les axes principaux de la déformation (X, Y) ne tournent pas (la déformation est non-rotationnelle) ;

L"ellipse de déformation peut être découpée, à tout moment, en secteurs en raccourcissement, et secteurs en allongement ; ils sont séparés par des lignes neutres,

à 45° des axes principaux ;

Durant une déformation progressive, les lignes peuvent passer d"un secteur compressif à un secteur

extensif (ou l"inverse) ; Les mouvements relatifs des particules sont complexes ; Idéalement, les secteurs extensifs et compressifs sont séparés par des zones de cisaillement conjuguées (à

90° à l"origine, mais elles sont aplaties par les

incréments de déformation suivants). 11

Figure 11. Déformation

coaxiale : trajets des particules, et développement de zones de cisaillement conjuguées entre ls secteurs compressifs et extensifs.

Déformation non-coaxiale

Les axes de la déformation changent durant une déformation progressive (cf. Figure 10) (non-coaxial) ;

Les axes principaux (X, Y) tournent (déformation rotationnelle) ;

Les mouvements relatifs des particules sont tous parallèles entre eux, et parallèles au plan de glissement

(cf. paquet de cartes) (c"est un cisaillement " simple »);

Comme dans le cas coaxial, il y a des secteurs en extension et des secteurs en compression, qui changent

au cours de la déformation.

Figure 12. Déformation

non-coaxiale : glissement relatif des particules sur des plans tous parallèles. Notez que l"ellipse de déformation en cisaillement simple n"est pas alignée avec le plan de glissement ! c. Forme de l"ellipsoïde de déformation En 3 dimensions, l"ellipsoïde de déformation est défini par ses

3 axes, X ≥ Y ≥ Z. Selon la taille relative des 3 axes, on peut

distinguer deux cas extrêmes : X > Y = Z. L"ellipsoïde prend la forme d"un cigare (prolate shape). Cette situation correspond à un étirement selon X (constriction, constriction). X = Y > Z. L"ellipsoïde a la forme d"une crêpe (oblate shape). C"est un écrasement selon Z (aplatissement, flattening). 12

Figure 13. Déformation

en constriction, à gauche ; et en aplatissement, à droite ; d"un objet initialement cubique. Une façon simple de représenter les différents cas est de construire un diagramme (diagramme de Flinn), ou on porte X/Y en fonction de Y/Z. Le paramètre de Flinn, 11 --=ZYYX k, permet de décrire la forme de l"ellipsoïde. k peut varier de 0 (X = Y, aplatissement) à +∞ (Y=Z, constriction), en passant par toutes les valeurs intermédiaires. Si k>1, c"est la constriction qui domine ; si k<1, c"est l"aplatissement qui domine. NB - Il existe évidemment plusieurs paramètres pour exprimer cette relation. L"expression du paramètre de Flinn, k, permet d"avoir des valeurs qui varient de 0 à +∞.

Figure 14. Diagramme

de Flinn. Un cube blanc est déformé en différentsquotesdbs_dbs43.pdfusesText_43

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